紅外傳感器工作原理

1、長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,課題二 紅外傳感器工作原理,任務(wù)1：自動水龍頭電路的設(shè)計,任務(wù)2：紅外線監(jiān)控發(fā)射、接收電路原理圖的分析,任務(wù)目標(biāo)★ 掌握紅外輻射的基本知識；★ 了解紅外傳感器的應(yīng)用；★ 掌握光纖傳感元件的結(jié)構(gòu)及工作原理；★ 了解光纖傳感器的應(yīng)用。,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,一、紅外傳感器概述1．紅外輻射的基本知識（1）紅外輻射的基本特點 1)紅外輻射就是紅外光，紅外光的最大特點就是具有光熱效應(yīng)，

2、能輻射熱量，紅外光是一種不可見光；2)紅外光與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)；3)紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，紅外光在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大；4)氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶；,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,5)自然界中任何物體，只要其溫度在熱力學(xué)絕對零度之上，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射；6)紅外

3、光的光熱效應(yīng)對不同的物體是各不相同的，熱能強度也不一樣 ，例如，黑體、鏡體、透明體和灰體將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)； 7）許多非電量能夠影響和改變紅外光的特性。利用紅外敏感元件測得紅外光的變化，進(jìn)而可以確定待測非電量。凡是能感受紅外輻射量并轉(zhuǎn)變成另一種便于測量的物理量的器件稱為紅外敏感元件，在紅外技術(shù)領(lǐng)域里習(xí)慣叫紅外探測器。,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,8）紅外探測器按其敏感元件可以分成兩大類即“熱探測器”和“光電探測器”。熱探測器對

4、各種波長都有響應(yīng)，光電探測器只對它的長波限以下的一段波長區(qū)間有響應(yīng)，熱探測器工作時不需要冷卻，光電探測器則多數(shù)需要冷卻，熱探測器的響應(yīng)度一般低于光電探測器，響應(yīng)時間一般比光電探測器長，熱探測器的性能與器件尺寸、形狀及工藝等有關(guān)，因此需要十分講究工藝，產(chǎn)品規(guī)格常不易穩(wěn)定。9）紅外線：波長780—106nm 波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過3μm 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自

5、動化教研室,,9）紅外線：波長780—106nm 波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過3μm 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,（2）紅外輻射的基本定律① 希爾霍夫定律。希爾霍夫定律指出一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能。如果幾個物體處于同一溫度場中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)，這就是希爾霍夫定律?？捎孟率奖硎?,（6-8）,式中 Er——物

6、體在單位面積和單位時間內(nèi)發(fā)射出來的輻射能； α ——該物體對輻射能的吸收系數(shù)； E0——等價于黑體在相同溫度下發(fā)射的能量，它是常數(shù)。,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,② 斯忒藩—玻爾茲曼定律。物體溫度越高，它輻射出來的能量越大?？捎孟旅婀奖硎?,（6-9）,式中 E——某物體在溫度T時單位面積和單位時間的紅外輻射總能量； σ——斯忒藩—玻爾茲曼常數(shù)（=5.6697×10-12W/cm2

7、K4）； ε——比輻射率，即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻射本領(lǐng)之比值，黑體的ε =1； T——物體的絕對溫度。,即物體紅外輻射的能量與它自身的絕對溫度T的四次方成正比，并與ε成正比。物體溫度越高，其表面所輻射的能量就越大。,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,③ 維恩位移定律。熱輻射發(fā)射的電磁波中包含著各種波長。實驗證明，物體峰值輻射波長與物體自身的絕對溫度成反比。即,,（6-10）,圖6-35 峰值輻射波長與溫度的關(guān)系曲線,從圖6-

8、35所示曲線可知，峰值輻射波長隨溫度升高向短波方向偏移。當(dāng)溫度不很高時，峰值輻射波長在紅外區(qū)域。,,,,分譜輻射出射度,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,2．熱釋電型紅外傳感器熱探測器探測紅外輻射的基本原理包含兩個主要過程。第一個過程是熱探測器吸收紅外輻射能量后溫度隨之升高，隨著入射輻射功率的變化，元件的溫度也要發(fā)生相應(yīng)的變化；第二個過程是利用元件的某種溫度敏感特性，把輻射能引起的溫度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。,熱釋電晶體具有自發(fā)的電極

9、化，自發(fā)電極化強度與溫度有關(guān)，晶體的這種性質(zhì)被稱為熱釋電效應(yīng)。,熱釋電晶體同時又是壓電晶體，那么熱釋電晶體必定具有壓電性，但是壓電晶體卻未必都有熱釋電效應(yīng)。,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,由于熱釋電晶體內(nèi)部具有自發(fā)極化，因此，在與自發(fā)極化強度垂直的晶體的兩個表面上出現(xiàn)符號不同的面束縛電荷。面束縛電荷密度等于自發(fā)極化強度PS，但平時這些面束縛電荷常常被晶體內(nèi)部和外部的自由電荷所中和，因此對外顯示中性，不能在靜態(tài)條件下測量自發(fā)極化。只有

10、當(dāng)晶體經(jīng)受一定頻率的溫度變化時，自發(fā)極化強度PS發(fā)生變化，其體內(nèi)的自由電荷和外部的雜散電荷來不及中和變化著的面束縛電荷時才能測出自發(fā)極化。,熱釋電效應(yīng)形成原理示意圖,熱釋電效應(yīng)形成原理：,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,任務(wù)1 自動水龍頭電路的設(shè)計,任務(wù)1分析,自動水龍頭電路具有人或物體靠近時，自動產(chǎn)生控制信號控制電磁閥得電吸合，自動放水的功能 。,自動水龍頭電路原理如圖6-42所示,圖6-42 自動水龍頭電路原理圖,長江工程職業(yè)

11、技術(shù)學(xué)院自動化教研室,任務(wù)1設(shè)計,自動水龍頭開關(guān)電路采用發(fā)射—接收光電對管的方式。當(dāng)有人手或物體接近自動水龍頭時，紅外線發(fā)射頭發(fā)出的紅外線光經(jīng)人手或物體反射到接收頭，接收頭接收到反射的光信號，轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)放大、整形，提取出人體接近的信號，經(jīng)過驅(qū)動電路控制電磁閥動作打開水源。當(dāng)人手或物體離開后，延遲幾秒后可自動關(guān)閉，使用非常方便。,自動水龍頭電路圖,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,階段小結(jié)紅外傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的

12、傳感器。紅外線具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點。 紅外傳感器常用于無接觸溫度測量、氣體成分分析和無損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。,長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室,例如，采用紅外傳感器遠(yuǎn)距離測量人體表面溫度的熱像儀；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對地球